蛋白质结构与功能
蛋白质的结构与功能
蛋白质的结构与功能蛋白质是生物体中最为重要的有机分子之一，它在维持生命活动中起到关键作用。
蛋白质的结构多样且复杂，这种结构的多样性与其功能密切相关。
本文将介绍蛋白质的结构特点以及与其功能之间的联系。
一、蛋白质的结构层次蛋白质的结构可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构是指由氨基酸组成的线性多肽链，通过肽键连接在一起。
二级结构是指由氢键形成的稳定的结构片段，常见的二级结构包括α-螺旋和β-折叠。
三级结构则是指蛋白质在空间上的折叠和疏水性相互作用形成的三维结构。
最后，四级结构是指多个多肽链通过非共价键结合在一起形成功能完整的蛋白质复合物。
二、蛋白质的功能1. 结构功能：蛋白质可以组成细胞的骨架结构，维持细胞的形态和稳定性。
例如，肌纤维中的肌动蛋白和微管中的微管蛋白可以赋予细胞运动和形态维持的能力。
2. 酶功能：蛋白质中的酶可以促进生物反应的发生，例如在代谢途径中催化化学反应，如葡萄糖酶催化葡萄糖的分解。
3. 运输功能：许多蛋白质可以在细胞和器官之间进行物质的运输。
血红蛋白是一种负责将氧气从肺部输送到组织的蛋白质。
4. 免疫功能：免疫球蛋白可以识别和结合病原体，从而触发免疫反应，并协助淋巴细胞杀伤病原体。
5. 调节功能：一些蛋白质可以调节细胞内物质的合成和代谢，包括细胞凋亡、基因表达和信号转导等过程。
6. 结合功能：许多蛋白质具有结合小分子的能力，如激素与其相应的受体的结合。
三、蛋白质结构与功能的关系蛋白质的结构决定其功能，不同的结构使得蛋白质能够在特定的环境中担任特定的功能。
例如，蛋白质的二级结构决定了其折叠形态和稳定性，从而影响其功能的发挥。
另外，蛋白质的胺基酸序列决定了其结构的折叠方式和功能区域的位置。
蛋白质的功能也会受到环境因素的影响。
例如，温度、PH值和离子浓度等环境因素都可以改变蛋白质的结构和功能。
当蛋白质受到变性剂的作用时，其结构会发生破坏，功能也会丧失。
总结起来，蛋白质的结构与功能之间存在密切的关系。
蛋白质的结构和功能
蛋白质的结构和功能蛋白质是组成生物体最重要组成部分之一，是生命中最基本的分子之一，也是所有生命机制的基础。
蛋白质是由氨基酸单元组成的大分子，具有复杂的三维结构和多种生物功能。
本文将围绕蛋白质的结构和功能展开探讨。
一、蛋白质的结构蛋白质的结构非常复杂，主要包括四个级别：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构是指蛋白质的氨基酸序列，也被称为多肽链。
二级结构是指蛋白质在空间中的部分有规律的排列方式，可以分为α-螺旋和β-折叠。
三级结构是指蛋白质的立体结构，在细胞内是具有生物学功能的。
四级结构是指两个或者多个多肽链合成的复合物或者聚集体。
这四个级别的结构是建立在氨基酸单元之间的分子相互作用力的基础上的。
二、蛋白质的功能蛋白质有多种生物学功能，比如酶的催化反应、结构蛋白的细胞骨架的构建和细胞膜通道的创造等。
蛋白质通过其结构的多种形式和氨基酸侧链的特定化学性质来实现这些功能。
下面将逐一探讨蛋白质的各项功能。
1. 酶的催化反应蛋白质中的酶催化细胞内化学反应的速率，可以使化学反应在体内以可控的速率进行。
酶的高效性主要归功于其特定的结构，可以与底物特异性结合，从而降低局部反应能量的活化能。
例如，胰蛋白酶的构象改变会导致其主要消化的底物蛋白质无法正常消化。
2. 细胞骨架的构建细胞骨架是由蛋白质构成的复杂结构。
蛋白质在细胞中起着结构支撑和细胞形态维持的重要作用。
细胞骨架包括三种蛋白质，分别是微丝、中间丝和微管。
微丝是细胞外形变化的基础，中间丝是吸收力和细胞形态的基础，微管则是细胞分裂的基础。
这些不同的骨架蛋白质通过不同的化学反应将不同的蛋白质链聚合在一起，形成高阶结构形成。
3. 细胞膜通道的创造许多蛋白质在细胞膜上具有通道功能，能够允许特定分子和离子的跨膜转运。
跨膜蛋白是细胞内外的信号转导和细胞间通信的重要基础。
膜蛋白在细胞生物学过程中起着关键的作用，比如能够将物质通过细胞膜进行导出或者导入。
总之，蛋白质是组成生物体最重要组成部分之一，具有复杂的三维结构和多种生物功能。
蛋白质的结构和功能
HbS β 肽链
这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病， 称为“分子病”。
• “分子病”除了镰形红细胞贫血以外，还有 各种血浆白蛋白异常、球蛋白异常、脂蛋 白异常、铜蓝蛋白异常、转铁蛋白异常、 补体异常、受体蛋白异常等。
②蛋白质的空间结构
• 不同蛋白质其肽链的长度不同，肽链中不同氨基 酸的组成和排列顺序也各不相同。肽链在空间卷 曲、折叠成为特定的三维空间结构
• 如：酶、运输蛋白、免疫蛋白等;
– α螺旋和β折叠在不同的球状蛋白质中所占的比例是不同的 – 平行和反平行β折叠几乎同样广泛存在，既可在不同肽链或不同分子之 间形成,也可在同一肽链的不同肽段(β股)之间形成。 – β转角、卷曲结构或环结构也是它们形成复杂结构不可缺少的。
膜蛋白
• 膜蛋白表面是两性的
多肽链可以看成由Cα串联起来的无数个酰 胺平面组成
③蛋白质二级结构
• 二级结构（secondary structure）是指多 肽链主链原子局部的空间结构（构象） • 维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。 • 主要有
• α－螺旋 • β－折叠 • β－转角
– 它们是构成蛋白质高级结构的基本要素。
• 其疏水表面在膜内与脂类的脂肪酸链相接触 • 而亲水表面则与膜两侧的水相和脂类的极性头部基 团相接触 • 膜蛋白不溶于水溶液中。
• 以前人们的共识是：膜蛋白不可能结晶成 三维晶体。
– 米歇尔Michel 解决了当时膜蛋白研究面临的最大障碍，即膜 蛋白不能结晶的问题。
Dr Johann Deisenhofer University of Texas Southwestern Medical Center, Dallas, USA
1）α－螺旋
• Pauling等人对α-角蛋白(αkeratin)进行了X线衍射分析， 从衍射图中看到有0.5～0.55nm
从四个方面举例说明蛋白质的结构与功能之间的关系并做简要阐述
从四个方面举例说明蛋白质的结构与功能之间的关系并做简要阐述蛋白质是生物体中非常重要的分子，它在维持生物体的正常功能和结构中起着重要的作用。
蛋白质的结构与其功能之间存在着密切的关系。
下面将从四个方面举例，说明蛋白质的结构与功能之间的关系。
这四个方面分别是：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
首先，一级结构是指蛋白质的氨基酸序列。
不同的蛋白质的氨基酸序列不同，这导致了它们具有不同的功能。
例如，酶是一类重要的蛋白质，它们在生物体中催化各种化学反应。
不同的酶催化不同的反应，这是由其一级结构决定的。
比如，糖解酶主要催化糖的分解，其氨基酸序列特定的结构使得它们能够具有这种特定的催化活性。
其次，二级结构是指氨基酸在空间上的规则排列方式。
最常见的二级结构是α-螺旋和β-折叠。
这些二级结构的形成对于蛋白质的稳定性和功能至关重要。
例如，α-螺旋结构中隐藏着氢键和范德华力，这种结构使得蛋白质具有强大的稳定性。
而β-折叠结构可以形成蛋白质的拓扑结构，起到支持和连接蛋白质的各个部位的作用。
因此，二级结构对于蛋白质的功能发挥起着非常重要的作用。
第三，三级结构是指蛋白质在空间上的整体折叠结构。
蛋白质的三级结构决定了其功能和生物活性。
例如，抗体是一类具有高度专一性和亲和力的蛋白质，其功能在很大程度上依赖于其特定的三级结构。
抗体的结构有两个重要的特点：可变区和恒定区。
可变区的结构决定了抗体与抗原的结合，从而决定了抗体的特异性。
恒定区的结构决定了抗体的一些基本性质，如抗体的类别、亲和力和激活效应。
因此，蛋白质的特定三级结构决定了其特定的功能。
最后，四级结构是指一些蛋白质由多个多肽链相互组合而成的结构。
多肽链的相互组合可以进一步扩展蛋白质的功能和稳定性。
例如，胶原蛋白是一种结构蛋白质，它由三个左旋螺旋结构的多肽链相互缠结而成。
这种三肽链的缠结使得胶原蛋白具有高度的稳定性和拉力。
胶原蛋白主要存在于结缔组织中，能够提供组织的结构和弹性。
蛋白质的结构和功能
无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。
2-3 超二级结构(模体/模序，motif) 在许多蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构 的肽段，在空间上相互接近所形成的有规则的二 级结构组合，被称为模体(motif)。模体是赋予功 能含义的超二级结构。 二级结构组合形式如： ，β β，ββ 。
蛋白质的元素组成 主要有C、H、O、N和S。有些蛋白质含有少量磷或铁、 铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。 蛋白质元素组成的特点 各种蛋白质的含氮量很接近且恒定，平均为16％。 通过测定生物样品中的含氮量，再根据以下公式推算蛋白 质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数× 6.25×100
• 在不同链或同一条链不同片段形成氢键
• 侧链突出在折叠的上方或下方 • 强度大,有刚性
2-2-3 -转角和无规卷曲
• 常由4个AA残基组成
• 1st AA-C=O与4thAA-N-H形成氢键
• 2nd AA是Pro或Gly/Asp/Asn/Trp • 形似发夹 • 反向 -转角 •常见于反向平行末端
47°
肽键的4个原子C、O、N、H及 C1、
57°
C2位于同一平面，C1和C2在平
面上所处的位置为反式(trans)构型， 此同一平面上的6个原子构成了所谓
的肽单元 。
2-2 二级结构的主要形式
• -螺旋 ( -helix )
• -折叠 ( -pleated sheet )
• -转角 ( -turn )
• 蛋白质一级结构是空间结构和功能的基础，但不是唯
一的因素。
2.蛋白质的二级结构
• 蛋白质的二级结构是指多肽链中某个肽段的主链 骨架原子的相对空间位置。
蛋白质的结构与功能
2. β－折叠结构特点
(１) 相邻肽键平面的夹角为1100 ，呈锯齿状排列； 侧链Ｒ基团交错地分布在片层平面的两侧。
(２) ２～５条肽段平行排列构成，肽段之间 可顺向平行(均从N-C)，也可反向平行 。 (３)由氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴 接近垂直。
（三）β－转角(β－turn)
1.概念
以氨基末端开始→羧基末端结束，依次编1、
2、3………
蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺 序称为蛋白质的一级结构
NH2 Met Phe Lys Cys Ser Thr Val COOH
各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同
人胰岛素的一级结构
二、蛋白质二级结构
概念：
是指蛋白质分子中一段多肽链的局部空
蛋白质的二级结构类型
蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋，β-折 迭，β-转角及无规卷曲等
（一）α －螺旋 (α －helix)
1.概念 由肽键平面盘旋 形成的螺旋状构象
2.α －螺旋的结构特征 (1)以肽键平面为 单位,以α －碳原 子为转折盘旋形成 右手螺旋
(2) 每3.6个氨基酸残基 绕成一个螺圈(3600) 螺距为0.54nm 每个氨基酸上升0.15nm 肽键平面与中心轴平行
*类型
全a-螺旋、全β-折叠、
无规卷曲
由这些结构域缔合成具有三级结构的分 子或亚基
蛋白质三级结构的意义： 蛋白质的三级结构决定了蛋白质的
生物学功能。
维持三级结构稳定的键
侧链基团之 间形的 氢 键、 离子键、 疏水作用、 分子引力、 二硫键
维系蛋白质分子结构的作用力
1. 肽键 共价键
维系蛋白质一级结构
第二节
蛋白质的分子结构
一、 蛋白质的一级结构—基本结构
生物化学 蛋白质的结构与功能(共113张PPT)
目录
多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基 酸之间以肽键连接而成的一种结构。 多肽链有两端：
N 末端：多肽链中有游离α-氨基的一端 C 末端：多肽链中有游离α-羧基的一端
目录N末端C末端 牛 Nhomakorabea糖核酸酶
定义: 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。
即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。
主要的化学键: 疏水键、离子键、氢键和 范德华力等。
目录
• 肌红蛋白 (Mb)
C 端
N端
目录
目录
〔二〕结构域是三级结构层次上的独立功能区
分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为
紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构域 1864年，Hoppe-Seyler从血液别离出血红蛋白，并将其制成结晶。
➢ 酸性氨基酸
➢ 碱性氨基酸
目录
(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基
酸
目录
(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性
氨基酸
甲硫氨酸
目录
(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸
目录
(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸
目录
(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基 酸
目录
Genbank 〔Genetic Sequence Databank〕
PIR〔Protein Identification Resource Sequence Database〕
收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料， 为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。
目录
二、多肽链的局部主链构象为蛋白质 二级结构
蛋白质的结构和功能
蛋白质的结构和功能蛋白质是生物体内重要的有机物质，其在细胞功能和生物体机体过程中发挥着关键作用。
蛋白质的结构和功能密不可分，下面将从蛋白质的结构以及其所承担的功能两个方面进行探讨。
一、蛋白质的结构蛋白质的结构可分为四个层次，分别是一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
1. 一级结构蛋白质的一级结构指由氨基酸残基的线性排列方式所决定的序列。
氨基酸的种类和顺序决定了蛋白质的特定功能和结构。
在水溶液中，氨基酸残基以离子形式存在，通过胺基和羧基之间的肽键连接起来形成多肽链。
2. 二级结构蛋白质的二级结构是指蛋白质中局部区域的空间构象，主要包括α-螺旋和β-折叠两种常见的结构。
α-螺旋是由多肽链的螺旋形状而成，通过氢键的形成保持稳定。
β-折叠则是由多个β折叠片段组合而成，也是通过氢键的形成维持稳定。
3. 三级结构蛋白质的三级结构是指蛋白质中整个多肽链的立体构象。
多肽链在二级结构的基础上进一步折叠和组装，形成复杂的三维结构。
这个结构的形成主要由各个氨基酸残基之间的相互作用所决定，包括疏水相互作用、氢键、电离相互作用、范德华力和二硫键等。
4. 四级结构蛋白质的四级结构是指由多个多肽链通过相互作用而形成的功能完整的蛋白质分子。
这些多肽链可以是相同的或不同的，它们之间通过各种各样的键连接在一起，形成复杂的结构。
二、蛋白质的功能蛋白质的结构决定了其功能。
蛋白质在生物体内扮演着多种重要的角色，包括酶、结构蛋白、运输蛋白和抗体等。
1. 酶酶是一类催化生物化学反应的蛋白质，可以加速化学反应发生的速率。
酶的活性与其结构密切相关，酶的活性位点具有与底物相互作用的特定结构。
2. 结构蛋白结构蛋白是细胞中的主要组成部分，为细胞提供了稳定的支持和形状。
它们形成了细胞的骨架，维持细胞的稳定性和形态。
3. 运输蛋白运输蛋白可以将物质从细胞内部输送到细胞外部，或者从细胞外部运输到细胞内部。
例如，血红蛋白可以运输氧气到全身各个组织和器官。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
蛋白质结构与功能
Cao Yang
2015.4.23.
蛋白质功能与结构的主要类别－－结合
历史上得到一个蛋白质的晶体结构（1962）：肌红蛋白（Myoglobin）(PDB: 1a6k)
蛋白质功能与结构的主要类别－－结合
TATA binding protein (PDB: 1tgh)
蛋白质功能与结构的主要类别－－催化
DNA聚合酶(DNA polymerase PDB:3pw0)
蛋白质功能与结构的主要类别－－催化
(HIV protease PDB:1a8k)
(Ras
off and on PDB: 1pll and 121p)
蛋白质功能与结构的主要类别－－分子
开关
Motifs
•常见的二级结构简单组合
•又称为超二级结构
•可能具有功能(e.g. DNA binding)•可能没有功能
Helix-loop-helix motifs DNA binding motif Calcium binding motif
The hairpin βmotif
•反平行β折叠＋回弯（loop）
•The hairpin motif can occur both as an isolated unit or as
a part of bigger βsheet
Bovine trypsin inhibitor Snake venom-erabutoxin
The Greek key motif •最常见的四条反平行 折叠模式
The β-α-βmotif
•连接两个平行β折叠的常见方式
•β-α-βmotif is a part of almost all proteins, containing a paralel beta sheet
Domains
•能自身折叠成稳定三维结构的肽段，通常具有疏水核心
•由一些简单的motif和二级结构单元组成•有的蛋白有多个domain，一般每个domain 都有独立的功能
Example of proteins with several domains -lac repressor
hinge helix
Helix-turn-helix domain (binds to
DNA)
Core domain, containing two subdomains, which in turn contain several motifs (binds ligand) C-terminal helix
(tetramerization)
Protein Domain Databases /Structure/cdd/cdd.shtml
蛋白质分析
蛋白质一级序列
蛋白质基本理化性质分析
蛋白质亲疏水性分析
跨膜区结构预测
卷曲螺旋预测
翻译后修饰位点预测蛋白质二级结构
蛋白质二级结构预测
蛋白质序列信号位点分析蛋白质超二级结构蛋白质结构域分析
蛋白质三级结构蛋白质三维结构模拟蛋白质分类蛋白质家族分析
蛋白质理化性质分析•Protparam工具
/tools/protparam.html 计算以下物理化学性质：
•相对分子质量理论pI值
•氨基酸组成原子组成
•消光系数半衰期
•不稳定系数脂肪系数
•总平均亲水性
蛋白质亲疏水性分析
•疏水作用是蛋白质折叠的主要驱动力•分析蛋白质氨基酸亲疏水性是了解蛋白质折叠的第一步
•氨基酸疏水分析为蛋白质二级结构预测提供佐证
•可用于分析蛋白质相互作用位点-抗原位点预测
蛋白质亲疏水性分析
•ProtScale工具
/tools/protscale.html
•氨基酸标度
–表示氨基酸在某种实验状态下相对其他氨基酸在某些性
质的差异，如疏水性、亲水性等
•收集56多个文献中提供的氨基酸标度
•默认值以Hphob. Kyte& Doolittle做疏水性分析
•特异性氨基酸标度，如Hopp& Woods（1981）针对抗原片段定位；Accessible residues（1979）针对氨基酸溶剂可及性定位；Chou & Fasman（1978）针对氨基酸二级结构疏水性分析
•α螺旋跨膜区主要是由
20-30个疏水性氨基酸（Leu 、Ile 、Val 、Met 、Gly 、Ala 等）组成
•亲水残基往往出现在疏水残基之间，对功能有重要的作用
•基于亲/疏水量和蛋白质膜区每个氨基酸的统计学分布偏好性量
•/software/TMPRED_form.html •http://bp.nuap.nagoya-u.ac.jp/sosui/ 蛋白质跨膜区分析
蛋白质卷曲螺旋域分析
•两股或两股以上α螺旋相互缠绕而形成超螺旋结构
•典型的有亮氨酸拉链，存在7残基重复结构（heptad repeat)，以a，b，c，d，e，f，g位置表示，其中a和d位置为疏水性氨基酸，而其他位置残基为亲水性
22
•
COILS-
/software/COILS_form.html
•PEPCOIL-
http://bioweb.pasteur.fr/seqanal/interfaces/pepcoil.html 蛋白质卷曲螺旋域分析
结构域分析
•结构域是蛋白序列的功能、结构和进化单元•分析方法
–序列比对
–基于蛋白质家族的位置特异性矩阵或概形矩阵
工具网站备注
CDD /sites/entrez?d
b=cdd 通过比较目标序列和一组位置特异性打分矩阵进行RPS-BLAST来确定目标序列中的保守结构域
HAMAP /sprot/hamap/families.htm
l 通过专家预测系统产生的微生物家族同源蛋白数据
InterPro /interpro/蛋白质家族、结构域和功能
位点的联合资源数据库，整
合了多个数据库和工具的结
果，并提供相应的链接Pfam /每个蛋白家族包含了多序列
比对、profile-HMMs和注释
文件
ProDom http://prodom.prabi.fr/从SWISS-PROT/TrEMBL数
据库中的非片段蛋白序列数
据构成，每条记录包含一个
同源结构域多重比对和家族
保守一致性序列
SMART http://smart.embl-heidelberg.de/由EMBL建立，集成了大部
分已知蛋白功能域数据，注
释包括了功能类型、三维结
构、分类信息
26
工具网站备注TIGRFAMs /TIGRFAMs/由TIGR实验室维护的蛋白
质家族和结构域数据库
PRINTS /dbbrowser/P
RINTS/蛋白质模体指纹数据库，提供了FingerPRINTScan、FPScan和GRAPHScan等指纹识别工具
DOMO /srs71bin/cgi-
bin/wgetz?-page+LibInfo+-lib+DOMO 同源蛋白结构域家族数据库，有多个镜像网站
BLOCKS /收录了通过高度保守蛋白区
域比对出的无空位片段
eMOTIF /distributions/e
motif/由斯坦福大学维护。
从BLOCKS+数据库和PRINTS数据库中收集了生物功能高度保守的高特异性蛋白序列。